Japan und seine AKWs

14.03.2011

Hintergrund zu den japanischen Atomanlagen und zum Ablauf der Ereignisse nach dem Erdbeben

Am 11. März 2011 ereignete sich um 14.46 Ortszeit (6.46 MEZ) das Sendai-Erdbeben der Stärke 8,9 mit anschließender Tshunami-Flutwelle (ca. 10 m Höhe). Von den insgesamt 55 japanischen Atomkraftwerken (jap.: genshiryoku hatsudensho) wurden elf abgeschaltet. Besonders gefährlich ist die Lage bei den Atomkraftwerkskomplexen in Fukushima. Hier sind mittlerweile sechs der zehn Reaktoren ohne Kühlung. In zwei Reaktoren hat es – möglicherweise - eine partielle Kernschmelze gegeben. Außerdem brach am Atomkraftwerkskomplex in Onagawa ein Feuer aus, das gelöscht werden konnte. So verbindet sich eine doppelte Naturkatastrophe mit einem selbstverschuldeten industriell-technischen Desaster.

Siedewassereaktoren (SWR)

Bei Siedewasserreaktoren (engl. Boiled Water Reactor – BWR) wird das vorgewärmte Wasser in den Druckbehälter des Reaktors gepumpt, der von einem Containment als Sicherheitsbehälter umgeben ist. In dem Druckbehälter befindet sich der Reaktorkern mit den stabförmigen Brennelementen, in denen das Nuklearmaterial aus Uran-235 durch eine Metallhülle ummantelt ist. Durch den atomaren Zerfall entsteht Wärme. In die Zwischenräume zwischen die Brennelemente können Steuerstäbe herabgelassen werden, die die freien Neutronen absorbieren und damit die Kernreaktionen eindämmen. Auf diese Weise können die Betreiber im Leitstand des AKWs den Umfang der Nuklearprozesse ferngesteuert regelt und den Reaktor vollständig herunterfahren.

Gleichzeitig ist der Druckbehälter teilweise mit Wasser in einem ersten Wasserkreislauf gefüllt. Durch die bei der Kernspaltung entstehende Wärme verdampft ein Teil des Wassers. Der Wasserdampf treibt eine Turbine an, die wiederum einen Generator antreibt, so dass elektrischer Strom gewonnen wird. Anschließend wird der Wasserdampf in einem Kondensator herabgekühlt und das immer noch heiße Wasser zum Druckbehälter zurückgeführt, so dass der Kreislauf von neuem beginnen kann.

Um das Wasser dieses Primärkreislaufes im Kondensator herunterzukühlen, wird Kühlwasser von außen in einem zweiten Wasserkreislaufsystem dem AKW zugeführt und – leicht erwärmt – wieder an die Umwelt abgegeben.

Mit dem Herunterfahren der Steuerstäbe kommen zwar die Nuklearprozesse zum Erliegen, dennoch wird weiterhin "Nachwärme" produziert, die ständig abgeführt werden muss. Sollte dies nicht gelingen, kommt es zu einer Überhitzung, in dessen Verlauf die Hüllen der Brennelemente bei Temperaturen um die 2.000 Grad schmelzen. Außerdem kann das Wasser durch den Nuklearbeschuss in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden, so dass das hochexplosive Knallgas entsteht. Wenn der Druck im Reaktordruckbehälter zu hoch wird oder wenn er beschädigt wird, kommt es zu einem Super-Gau, bei dem große Mengen radioaktiver Substanzen die Umwelt schädigen.

Was bei einer Kernschmelze bzw. einem Super-GAU genau passiert, ist den Nuklearphysikern nur zum Teil bekannt. Dafür gibt es mehrere Gründe:

  1. Eine Kernschmelze kann nicht in vollem Umfang simuliert werden.
  2. Bei einem akuten Notfall hat man keine Zeit für Grundlagenforschung.
  3. Die Erfahrungen aus früheren Atomunfällen sind nur bedingt übertragbar, da die Kernkraftwerke verschieden konstruiert sind und unterschiedliche Technologien verwendet werden.

Allerdings ist eines sicher, wenn eine Kernschmelze angefangen hat, kann der Mensch kaum noch eingreifen.

Nuklearanlagen in Fukushima

Fukushima Daiichi I ist ein Kraftwerkskomplex aus 2 x 3 Reaktoren (F I-I bis F I-6). Jeder Reaktor ist in einem separaten Gebäude untergebracht. Drei der Reaktoren waren zum Zeitpunkt des Erdbebens am Netz, die übrigen wurden gewartet. Innerhalb von zwei Minuten nach dem Erdbeben wurden auch die drei aktiven AKWs heruntergefahren. Zu jedem Reaktor gehört ein eigenes Turbinengebäude mit den Stormgeneratoren. Außerdem gibt es auf dem Werksgelände noch ein Verwaltungsgebäude und ein Zwischenlager für abgebrannte Brennelemente. Rund 11,5 Kilometer weiter südlich befindet sich der neuere Kraftwerkskomplex Fukushima Daini II mit vier weiteren Reaktoren (F II-I bis F II-4). Dieses Werksgelände bedeckt eine Fläche von 1,5 qkm.

Die Anlagen befinden sich rund 270 km nördlich von Tokio an der Ostküste der japanischen Hauptinsel Honschu. Betreiber der Kraftwerkkomplexe ist das Elektrizitätsunternehmen Tokyo Denryoku (TEPCO).

  • Fukushima I-I: Hersteller General Electric, Typ BWR-3, Leistung 439 MW, seit dem 26.3.1971 in Betrieb
  • Fukushima I-2: Hersteller General Electric, Typ BWR-4, Leistung 760 MW, seit dem 18.7.1974 in Betrieb
  • Fukushima I-3: Hersteller Toshiba, Typ BWR-4, Leistung 760 MW, seit dem 27.3.1976 in Betrieb
  • Fukushima I-4: Hersteller Toshiba, Typ BWR-4, Leistung 760 MW, seit dem 12.10.1978 in Betrieb
  • Fukushima I-5: Hersteller General Electric Hitachi, Typ BWR-4, Leistung 760 MW, seit dem 18.4.1978 in Betrieb
  • Fukushima I-6: Hersteller General Electric, Typ BWR-5, Leistung 1.100 MW, seit dem 24.10.1979 in Betrieb
  • Fukushima II-I: Hersteller Toshiba, Typ BWR-5, Leistung 1067 MW, seit Juli 1981 in Betrieb
  • Fukushima II-II: Hersteller General Electric Hitachi, Typ BWR-5, Leistung 1067 MW, seit Juni 1983 in Betrieb
  • Fukushima II-III: Hersteller Toshiba, Typ BWR-5, Leistung 1067 MW, seit Dezember 1984 in Betrieb
  • Fukushima II-IV: Hersteller General Electric Hitachi, Typ BWR-5, Leistung 1067 MW, seit Dezember 1986 in Betrieb

In Fukushima I arbeiten rund 970 Beschäftigte, davon betreiben 220 Personen in einem 3-Schicht-System den Betrieb der sechs AKWs, 330 Personen verrichten Wartungsarbeiten, 170 leisten technische Unterstützung und 250 Mitarbeiter nehmen sonstige Funktionen wahr. Außerdem arbeiten auf dem Kraftwerksgelände rund 5.000 Personen von Subunternehmen. () Über die Zahl der Beschäftigten in Fukushima II liegen keine konkreten Angaben vor.

Ereignisablauf am Reaktor F I-I

Der Reaktor Fukushima I-I wurde vom amerikanischen Konzern General Electric (GE) in Zusammenarbeit mit Ebasco konstruiert. Der Bau des Reaktors begann im Juli 1967 durch das Unternehmen Kajima. Der Reaktor wurde am 26. März 1971 in Betrieb genommen. Er sollte – nach Pressemeldungen – voraussichtlich im März 2011 stillgelegt werden. Es handelt sich um einen Reaktor Siedewasserreaktor (engl. Boiled Water Reactor) vom Typ "BWR-3" mit einem Containment "Mark I":

Das Reaktorgebäude ist wie ein Quader gebaut und verfügt über sechs oder sieben Etagen. Unter der Decke befindet sich der Kran, mit dem die Brennelemente ausgetauscht werden können. In der Mitte des Gebäudes steht senkrecht der Reaktordruckbehälter. Er sieht aus wie ein röhrenförmiger Kessel mit einer halbrunden Kuppel, die durch einen Ring von Schrauben befestigt ist. Im Inneren des Druckbehälters befindet sich oben eine Anlage zur Dampftrocknung, darunter sind die Steuerstäbe angebracht und unten befindet sich der eigentliche Reaktorkern mit den Brennelementen.

Der ganze Druckbehälter ruht auf einer Betonwanne. Er ist von einer Birnen-förmigen Stahl-Beton-Ummantelung umgeben, dem so genannte Mark I-Containment, das auch als "Drywell" bezeichnet wird. Eine amerikanische Reaktorsicherheitsstudie von 1986 kam zu dem Ergebnis, dass das Mark I-Containment zu schwach ausgelegt ist und bei einem schweren Atomunfall mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 Prozent versagen wird, wie Harold Denton, der damalige Sicherheitsleiter der amerikanischen Nuclear Regulatory Commission (NRC) mitteilte. Daher mussten die entsprechend ausgestatteten Atomkraftwerke später nachgerüstet werden.

So wurde der Sockel des Reaktordruckgefäßes mit einer ringförmigen Röhre umgeben, dem so genannten "Torus", die zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist. Er soll bei erhöhtem Druck einen Teil des Dampfes aufnehmen und abkühlen, um die Entstehung eines Überdrucks zu verhindern.

Die Außenhülle des Reaktorgebäudes dagegen ist nicht besonders armiert. Die deutschen Atomkraftwerke sind anders aufgebaut, sie haben eine charakteristische Containment-Kuppel, die das ganze Gebäude umschließt.

Der eigentliche Reaktorkern soll 764 Brennelemente enthalten, die in Kassetten zu jeweils 7 x 7 oder 8 x 8 Stück gebündelt sind. Sie haben eine Länge von vermutlich 4,25 Metern. Die Brennelemente sind mit rund 60 bis 70 Tonnen Nuklearmaterial gefüllt, es handelt sich um Pellets aus angereichertem Urandioxid. Ihre Metallhülle besteht aus Zirkaloy-2. Da das AKW kurz vor der Stilllegung stand, ist davon auszugehen, dass die Brennelemente schon längere Zeit in Betrieb waren. Durch die jahrelangen radioaktiven Zerfallsprozesse dürfte sich somit eine Mixtur aus zahlreichen verschiedenen Radionukleiden in den fast abgebrannten Brennelementen angesammelt haben, die bei einem Super-Gau in die Umwelt gelangen könnten. Dieser nukleare Cocktail besteht aus verschiedenen Alpha, Beta+/- und Gammastrahlern: Caesium 134, Caesium 137, Jod 129, Jod 131, Plutonium, Strontium 90, etc. Nach Pressemeldungen könnten die Auswirkungen diesmal noch 30- bis 50-mal gravierender sein, als beim Super-Gau im RBMK-1000 Reaktor Nr. 4 von Tschernobyl am 26. April 1986. Der Reaktor damals enthielt zwar wesentlich mehr Nuklearmaterial wie der BWR-3, aber damals waren die Brennelemente relativ neu und der Isotopenmix entsprechend geringer.

Um die Nuklearprozesse zu steuern, können Kontrollstäbe von oben in den Reaktorkern eingefahren werden. Über die Zahl der Stäbe liegen keine Angaben vor.

Durch das Sendai-Erdbeben kam es zu einer automatischen Schnellabschaltung des Reaktors. Bei Zusammenbruch der Stromversorgung sprangen die Dieselaggregate zur Notstromversorgung zwar an, sie schalteten sich aber nach einer Stunde wegen des Tsunamis wieder ab, so dass die Stromversorgung nur noch mittels der vor Ort vorhandenen Batterien – für weitere acht Stunden - gewährleistet wurde. Anschließend gab es keine Kühlung mehr. In dieser Lage erklärte der japanische Premierminister Naoto Kan am 11. März um 19.03 Uhr Ortszeit (11.03 MEZ) den "atomaren Notfall".

Nach Pressemeldungen kam es daraufhin zu folgendem Ereignisablauf: Nach dem Ausfall des eigentlichen Kühlsystems wurde Kühlwasser von außen in das Reaktorgebäude gepumpt, so dass durch dessen Verdampfen ein Notkühleffekt erreicht wurde. Allerdings führte dies zu einer Druckerhöhung im Reaktorgebäude außerhalb des Containments von 4 auf 8,4 bar.

In der Folge kam es zunächst zu einer (absichtlichen) Freisetzung von radioaktivem Dampf, der mit den Isotopen Caesium-137 und Iod-131 kontaminiert war. Die radioaktive Wolke wurde in östlicher Richtung auf den Pazifik hinausgetrieben. Die Strahlungswerte stiegen auf dem Reaktorgelände von 0,07 auf 5,1 Mikrosievert pro Stunde (9.10 Uhr Ortszeit = 1.10 Uhr MEZ). Am Sonntag wurden bereits Werte bis zu 21 Mikrosievert gemessen. Innerhalb des Reaktorgebäudes wurde zeitweise ein Wert um das 1000-fache über normal erreicht.

Um ca. 15:36 Uhr Ortszeit (7:36 MEZ) ereignete sich eine Explosion im Kernkraftwerk Fukushima, durch die die Außenwand des Reaktorgebäudes 1 pulverisiert wurde, so dass nur noch das Stahlgerüst stehen blieb. Die japanische Atomsicherheitskommission gab erst mit erheblicher Verspätung bekannt, dass es innerhalb des Reaktorkerns zu einer Kernschmelze gekommen war, was aber auch wieder abgestritten wurde. Bei der Explosion wurden ein Arbeiter getötet und sieben verletzt, zwei weitere Arbeiter gelten als verschollen. Nach ersten Meldungen wurden mindestens 15 Anwohner verstrahlt. In der weiter nördlich gelegenen Stadt Miyari stieg die Radioaktivität auf das 400-fache der natürlichen Strahlung. In der Nähe von Futabe wurden 160 Personen, die draußen auf ihre Evakuierung warteten, verstrahlt.

Nachdem die Behörden zunächst eine Evakuierungszone im Umkreis von 10 km um den AKW-Komplex ausgerufen hatten (12. März, 5.44 Uhr Ortszeit), wurde die Zone dann auf 20 km ausgeweitet. Rund 210.000 Menschen wurden evakuiert, obwohl die Bevölkerungsdichte in dem Katastrophengebiet sehr hoch ist und die Verkehrsinfrastruktur durch die Naturkatastrophe zum Teil zusammengebrochen war.

Seit 20.20 Uhr Ortszeit (12.20 MEZ) werden Meerwasser als provisorisches Kühlmittel und Borsäure als Neutronenabsorber in das zerstörte Reaktorgebäude gepumpt. Allerdings dauert das Fluten des Reaktorgebäudes 5 bis 10 Stunden; der Abkühlungsprozess kann sich bis zu zehn Tagen hinziehen. Allerdings könnte es zu einem Jojo-Effekt kommen, wie der Atomexperte Mycle Schneider erklärte: "Die Temperatur im Druckbehälter steigt, also wird Meerwasser hinein gepumpt. Das verdampft durch die Hitze des Kernbrennstoffs und erhöht damit den Druck im System. Also muss der radioaktive Dampf abgelassen werden, was die Menge an Kühlwasser reduziert. Daraufhin steigt die Temperatur im Druckbehälter wieder und es muss erneut Meerwasser hineingepumpt werden."

Auch in Europa gibt es zwei Atomreaktoren vom Typ Fukishima F-1, so der Reaktor in Santa María de Garoña bei Burgos in Nordspanien oder das Atomkraftwerk Okarsham in Schweden.

Ereignisse am Reaktor Fukushima F I-3

Der Reaktor ist von demselben Typ wie der Reaktor F 1-1, allerdings ist er mit anderen Brennelementen beladen. Seit September 2010 werden Misch-Oxid-Elemente (Mox) verwendet, die aus einem Gemisch aus ca. 95 Prozent Uranoxid und 5 Prozent Plutoniumoxid bestehen. Auch in diesem Reaktor hat es vermutlich eine partielle Kernschmelze gegeben. "Es könnte sein, dass es eine geringe Kernschmelze gab", erklärte Regierungssprecher Yukio Edano wörtlich.

Um die Hitze und den Überdruck im Reaktordruckgefäß abzubauen, hat man einen Teil des kontaminierten Wasserdampfes bewusst in die Umwelt abgeblasen. Seit dem 13. März um 8.20 Uhr Ortszeit (0.20 MEZ) versucht man als Notlösung, das Reaktorgebäude mit Meerwasser und Borsäure zu fluten, um den Kern weiter zu kühlen. Allerdings besteht erneut die Gefahr, dass sich – wie beim Reaktor F I-I - ein Knallgasgemisch bildet und das Reaktorgebäude explodiert.

Über die Ereignisse in Fukushima II liegen noch keine konkreten Angaben vor. Bei mindestens drei der vier Reaktoren ist die Kühlung ausgefallen.

Behördenapparat

Angesichts des Ausmaßes der Katastrophe(n) sind die Behörden offensichtlich überfordert. Die Kontrolle der Atomkraftwerke liegt bei der Nuclear Industry and Safety Agency (NISA). Ihre Nuclear Emergency Preparedness Division ist für die Ausarbeitung von Notfallplänen zuständig. Die NISA hat am 11. März um 14.46 Uhr Ortszeit ihr NISA Emergency Preparedness Headquarters in Toky (Kasumigaseki 1-3-1) in Betrieb genommen. Am Reaktor sind ABC-Kräfte der Feuerwehr und eine ABC-Einheit des japanischen Heeres (Ground Self-Defence Force [GSDF]) im Einsatz. Auch ein Ärzteteam wurde entsandt.

Es ist davon auszugehen, dass diese "Selbstmord"-Einheiten von verbleiten Bunkerräumen auf dem Reaktorgelände aus arbeiten. Wenn sie die Unterstände verlassen, müssen sie einen CSA-Anzug mit Umgebungsluft-unabhängiger Sauerstoffversorgung tragen. Allerdings können solche Spezialanzüge nur rund 30 Minuten getragen werden, so dass die Arbeitsmöglichkeiten extrem eingeschränkt sind. Außerdem bieten diese Anzüge keinen Schutz vor Gammastrahlung. Sollte die Strahlung vor Ort zu hoch sein, versagen die Dosimeter, so dass eine Erfassung der Strahlenlage nicht mehr möglich ist. Im Extremfall könnten nur noch ferngesteuerte Spezialroboter eingesetzt werden, deren Elektronik gegenüber der Partikelstrahlung resistent ist.

In der weiteren Umgebung um die AKW-Komplexe ist die Katastrophenschutzbehörde mit den Folgen der Naturkatastrophe befasst. Außerdem wurden aus dem Ausland einige "Katastophen-Junkies" eingeflogen, die zum Teil aber wieder abgereist sind, ohne tatsächlich zum Einsatz zu gekommen zu sein.

Der Autor ist wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Berliner Informationszentrum für Transatlantische Sicherheit.

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